生物质连续式分段热解炭化设备研究.doc

PAGE1

生物质连续式分段热解炭化设备研究

摘要：针对目前连续式炭化设备的热解温度场难以梯级调控，不能满足多种热解温度工艺试验要求，采用分段式加热技术，设计了5段独立热解炭化炉，并结合连续式输送原理，集成生物炭循环水冷技术、热解气二次催化裂解技术和油气二级冷凝分离技术等，研发了连续式分段热解炭化设备。以粉碎的玉米秸秆为原料开展了热解炭化试验，结果表明，本炭化设备实现了连续炭化和分段加热，当5段炉温设为550℃、600℃、600℃、600℃、550℃时，生物炭得率29.97％，低位热值26.21MJ／kg，固定碳含量55.63％，热解后的油气能较好地实现分离，达到了设计要求，实现了生物质的分段控温加热和连续热解。

引言

生物质热解炭化技术，是指生物质原料在绝氧或低氧环境中加热升温引起内部分解形成生物炭、生物油和热解气的过程。多数研究结果表明，生物质的热解过程可分为3个阶段：干燥预热阶段、挥发分析出阶段以及炭化阶段，第1阶段一般发生在室温到130％之间，生物质内部结构重新排列，水分大量流失；第2个阶段发生在130～450℃之间，纤维素、半纤维素、木质素等固体物质吸收大量热量而分解，挥发分析出；第3个阶段主要发生在450℃之后，生物炭慢慢形成，产生富炭残留物。生物炭作为一种新型的土壤改良剂，施放到土壤中既能增加土壤中的有机物，提高肥力，也能凭借其耐降解性质，提高碳在土壤里的封存时问，缓解温室效应对全球气候变化所带来的负面影响，此外，生物炭具有较大的比表面积且表面含有较多的含氧活性基团，可以吸附土壤或污水中的重金属及有机污染物等，因生产成本较低，被许多人认为是未来活性炭的替代品。

发达国家生物质炭化技术发展很快，美国加利福尼亚州制造了一款利用高温气体进行内外加热的竖流式热解设备，英国爱丁堡大学研制了三代炭化装置的样机，丹麦科技大学研制了离心热解反应器等。我国从20世纪70年代开始对生物质能源开发支持力度加大，热解主要集中在气化、液化等方面的研究，在炭化设备方面，农业部规划设计研究院研发了内加热连续式生物质炭化中试设备，东北农业大学设计了生物质热解反应装置的变螺距螺旋输送器，华中科技大学采用移动床生物质干馏技术，设计了处理量达到1t／h的连续式热解炭化设备，另外上海交通大学、浙江大学、华中农业大学、华南农业大学等也开展了相关研究，均取得了一定的研究成果。但是，此类连续式分段炭化设备存在炭化过程中热解温度场难以梯级调控，不能保证最优的产炭工艺而导致产炭品质不高的问题。

本文针对目前炭化设备的热解温度场难以进行梯级调控等问题，采用多段式控温原理，设计连续式分段热解炭化设备，并以粉碎玉米秸秆为原料进行连续热解试验。

1工作原理和整机结构

1.1连续炭化原理及工艺流程

连续式炭化技术主要是结合生物质原料的炭化原理和连续输送原理，采用进料口和出料口密封，保证热解炉内的密闭环境，再利用内源或外源对生物质原料进行加热，最终实现生物质的连续热解过程。

其工艺流程如图1所示，采用粉碎的玉米秸秆为原料，生物炭生产工艺流程从整体上可分为密闭进料、分段热解炭化、油气分离、生物炭循环水冷、热解气二次裂解和尾气燃烧等6个环节。以生物质分段热解产炭为主路线，集成热解混合气的分离收集、二次催化裂解和热解气燃烧等工艺，既可实现炭一油一气的联产，又能实现焦油的去除和能量的高效利用。

1.2整机结构与工作原理

连续式分段热解炭化设备结构示意如图2所示，设备工作时，先将5段电热炉升到设定温度，形成目标炭化温度场，利用该温度场拟合生物质炭化过程中的干燥阶段、挥发热解阶段和全面炭化阶段。再打开输料螺旋并调节转速，并开启喂料关风器开始进料，螺旋输料器推动生物质原料依次经过5段设定的温度场，到达最右端时完成最终炭化。炭化完成后，生物炭落入循环水冷装置中将高温生物炭降低至燃点温度以下，收集存储。

热解气由滤网过滤器进行过滤除尘，之后经过三通可选择2条工艺路线，一是油气的分离和收集，热解气依次通入保温200℃的油气分离器和常温的三相分离器，利用焦油、水和轻质油的液点不同实现逐级冷凝分离，不可冷凝气体如CO、CO2、H2、CH4等通过三相分离器排至尾气管道进行燃烧排空。二是热解混合气直接通入催化裂解炉，在高温和催化剂的条件下将大分子焦油催化裂解成为小分子气或轻质油，再通入至油气分离装置中，进行催化裂解后的油气分离和收集，经油气分离后的热解气进入燃烧炉中烧掉排空。

1.3主要技术参数

连续式分段热解炭化设备主要技术参数如表1所示。

2关键部件设计

2.1分段式热解炭化炉

分段式炭化炉作为设备的核心部件，其设计包含炭化炉的多段式设计及螺旋输料器的尺寸计算。热解炉的多段式控温目的就是形成所设定的温度场，使生物质原料在热解